Il Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Hong Kong Polytechnic University (PolyU) ha recentemente sviluppato un filtro in nanofibra caricato elettrostaticamente con più strati separatori, in grado di catturare particelle inquinanti di diametro inferiore a 100 nm (che coprono le più comuni nanoparticelle e virus nell'aria). Il nuovo filtro in nanofibra dimostra migliori prestazioni in termini di traspirabilità, efficienza di filtrazione (10 percento in più rispetto al filtro in microfibra elettrete convenzionale), e durata di conservazione (fino a 90 giorni).

Nano-aerosol di diametro pari o inferiore a 100 nm esistono ovunque negli ambienti urbani, e in virtù delle loro piccole dimensioni, può essere facilmente inalato nel corpo umano. La maggior parte dei virus presenti nell'aria, dall'influenza ai virus epidemici come l'influenza suina o la SARS, sono anche nella gamma di dimensioni di 100 nm. Rimane una missione impegnativa per gli scienziati sviluppare un filtro dell'aria o una maschera di facile utilizzo per un'efficace cattura di nanoparticelle e per proteggere le persone da contaminanti e virus nocivi nell'aria che possono influire sulla salute.

La squadra guidata dall'Ir. Professor Wallace Leung Woon-Fong, Professore Ordinario di Prodotti e Tecnologie Innovative, fluoruro di polivinilidene (PVDF) usato e testato, un termoplastico semicristallino comunemente usato come isolante su cavi elettrici, per fabbricare filtri in nanofibra. Applicando una tecnologia innovativa in Corona Discharge, il team ha impartito cariche elettrostatiche alla nanofibra di PVDF, per indurre l'interazione elettrica con gli aerosol a distanza ravvicinata e catturare gli aerosol in modo efficiente.

Confrontando con altri filtri realizzati con microfibre cariche o fibre non caricate sul mercato, Il nuovo filtro di PolyU ha un'efficienza di filtrazione molto migliorata, ma senza aumentare la caduta di pressione nel tempo (una caduta di pressione più elevata significa un filtro che affronta una maggiore resistenza al flusso d'aria, e quindi meno traspirante per l'utente della maschera o portata ridotta per un filtro spaziale). La nanofibra di PVDF ha dimostrato di essere caricata stabilmente, con effetto di carica che rimane per quasi tre mesi. Nelle letterature precedenti sulla ricarica di altre nanofibre, le cariche impartite di solito si dissipano entro un giorno.

Filtro in nanofibra PVDF caricato

Nei test di filtrazione per aerosol di varie dimensioni condotti dal team PolyU, il filtro in nanofibra PVDF caricato ha dimostrato una caduta di pressione di soli 5 Pa (Pascal / unità di pressione) e un'efficienza di filtrazione di circa il 54 percento per la particella da 100 nm (cioè dopo il flusso d'aria attraverso il filtro, il 54 percento delle nanoparticelle di 100 nm di diametro viene intrappolato), rispetto al 17% del filtro in nanofibra PVDF non caricato. C'è stato anche un aumento di 2,7 volte del "fattore di qualità":il rapporto tra l'efficienza di filtrazione e la caduta di pressione, o il rapporto costi/benefici. Maggiore è il fattore di qualità, migliore è la prestazione del filtro tenendo conto dell'importanza sia della filtrazione che della traspirabilità.

Il professor Leung ha detto che poiché i virus di solito trasportano cariche elettrostatiche negative, possono essere catturati in modo molto efficace dalle nanofibre di PVDF caricate positivamente. "Il filtro o la maschera facciale che applica la nostra innovazione sarebbe quindi una difesa ideale contro il virus durante un'epidemia".

Nuovi strati separatori elettrostatici multipli

Per rafforzare ulteriormente le prestazioni di cattura elettrostatica del filtro, il team di ricerca ha sviluppato la configurazione di più strati separatori elettrostatici, distribuendo lo stesso peso di nanofibre PVDF in un filtro a strato singolo in diversi strati filtranti con ogni strato isolato da un separatore, al fine di ridurre l'interferenza elettrostatica tra le fibre di strati adiacenti e aumentare l'efficienza del filtro mediante la forza elettrostatica.

I test di filtrazione hanno mostrato che l'efficienza di filtrazione dei filtri con più strati separatori elettrostatici caricati (test su due, tre e quattro strati) erano superiori dal 39 al 45 percento rispetto al filtro caricato senza il separatore. Il fattore di qualità dei filtri con più strati separatori elettrostatici caricati era da 2 a 3,5 volte superiore a quello senza il separatore.

Stabilità e durata

La carica sul mezzo filtrante e il relativo effetto elettrostatico si dissiperanno con il tempo. Il test di durata del filtro ha dimostrato che il nuovo filtro in nanofibra a carica elettrostatica di PolyU con più strati separatori potrebbe mantenere prestazioni costantemente elevate per un periodo prolungato, ed è quindi più resistente e può essere conservato più a lungo.

Filtration efficiency tests in humid ambient of 80 percent relative humidity (Hong Kong's average annual percentage of humidity is 77.0 percent) for filters with four electrostatic separator layers (with 1.75 grams of fibers per square meter) showed that the filtration efficiency dropped only marginally after 15 days, and dropped only 1 percent after 90 days.

Potential applications

PolyU's innovation can be widely applied in air filtration, from industrial to personal and household applications. Industrial usage includes dust-free rooms and fossil-fuel power stations. Air filtration can also be used to reduce particulate emission from exhaust of ships and vehicles. Personal and household usage of air filtration includes facemask, air purifier, vacuum cleaner, window filter screen, eccetera.

The electret PVDF nanofiber filter can be used in Western Blot, an analytical technique widely used to detect or extract proteins. Nel processo, PVDF membrane is often used in transferring proteins separated from the original sample. The PolyU innovation can help greatly enhance the nanofiber mat's electrostatic force in capturing protein, while maintaining the protein integrity without affecting its organization.

The innovation can also be applied to effective release of protein-based drugs. Drugs made in powder form, for example asthma drug, can be captured electrostatically by the charged PVDF nanofiber mat for more effective release and inhalation by users. Other than drugs delivered by inhalation, the innovation can also be applied similarly to drugs for use topically over skin.